Introdução ao Mendelismo e à Genética

Mendelismo Os conteúdos apresentados nesta unidade abordam o início da história da genética quando o monge Gregor Mendel observando características das ervilhas de jardim descobriu um padrão de transmissão de características que são passadas de pais para filhos A partir dos experimentos de Mendel foram estabelecidas as bases da genética de transmissão Esse foi o ponto de partida para que outros pesquisadores realizassem novos experimentos baseados nas descobertas de Mendel para entender os diferentes mecanismos envolvidos transmissão e manifestação das características genéticas Nesta unidade serão abordados os principais conceitos e descobertas históricas que explicam os fenômenos genéticos em nível molecular Também vamos entender como aplicar os princípios de Mendel a partir dos métodos do quadrado de Punnett linha bifurcada e probabilidade para prever os resultados dos cruzamentos e ver alguns conceitos que surgiram após as descobertas de Mendel Conhecer as leis de Mendel e suas aplicações é muito importante para entender desde a base até os avanços em genética que são aplicados em diversas áreas desde a medicina a agricultura e na sociedade Objetivo Ao final desta unidade você deverá ser capaz de Reconhecer os experimentos de Mendel e sua importância histórica na genética Esclarecer como diferentes tipos de testes de probabilidade podem ser aplicados para predição de resultados de cruzamentos genéticos Compreender os tipos de interações entre alelos que condicionam uma determinada manifestação fenotípica Conteúdo Programático Esta unidade está organizada de acordo com os seguintes temas Tema 1 Experimentos de Mendel Monohíbridos e DiHíbridos Tema 2 Predição de resultados de cruzamentos Tema 3 Além de Mendel Dominância incompleta Codominância Alelos múltiplos Gregor Mendel foi um monge que ficou conhecido como o pai da genética A partir de seus experimentos de cruzamento de ervilhas realizados no monastério Mendel descobriu como as características são passadas de pais para filhos dando origem às bases da hereditariedade Apesar dessa grande descoberta Mendel não teve seu trabalho reconhecido em vida porém seus resultados foram um marco na história da genética Mendelismo Tema 1 Experimentos de Mendel Monohíbridos e DiHíbridos Como uma determinada característica é passada de geração a geração Os primeiros experimentos realizados por Mendel resultaram na descoberta do gene e da herança monogênica O objeto de estudo escolhido por Mendel foi a ervilha de jardim Pisum sativum inclusive uma ótima escolha já que as ervilhas são fáceis de reproduzir e cultivar O interesse dele não estava nas propriedades das ervilhas em si mas em como as características eram herdadas a cada geração Como foram feitos esses experimentos Para isso Mendel investigou sete características da mesma espécie de ervilha selecionou diferentes cores e formas de ervilha cores e formas da vagem posição do broto e até a altura da planta Para estudar cada uma dessas características Mendel obteve duas linhagens distintas com características bem diferentes umas das outras Vamos exemplificar um dos experimentos de Mendel ele selecionou uma das características como a cor da semente da ervilha As linhagens usadas por Mendel eram puras ou seja após o cruzamento entre ervilhas com cor de semente amarela a prole também apresentava sementes amarelas O fato de observar cada uma dessas características de cada linhagem por vez fez uma grande diferença pois diversos biólogos procuraram entender a herança analisando diversas características ao mesmo tempo e isso gerou uma série de resultados complexos e difíceis de interpretar Vamos entender os princípios da dominância e segregação que são os cruzamentos monohíbridos Para verificar a herança da altura Mendel realizou um experimento promovendo o cruzamento entre ervilhas anãs e altas Acompanhe os passos Após a fertilização cruzada as sementes produzidas foram plantadas e produziram ervilhas híbridas altas independentemente da forma de cruzamento tanto entre plantas altas do sexo feminino com plantas anãs do sexo masculino ou o inverso Ele observou que nenhuma planta híbrida da prole apresentava a característica anã Para analisar os fatores hereditários dessas plantas híbridas altas Mendel realizou a autofertilização que é um processo que ocorre naturalmente em ervilhas Ele observou que a prole gerada apresentava plantas anãs e altas mostrando que as plantas altas híbridas apresentavam a capacidade de gerar plantas anãs Dessa forma foi possível deduzir que existia um fator genético que ficava latente para as características anãs que era mascarado por outro fator que se expressava conferindo características de altura elevada Mendel afirmou que o fator genético latente era recessivo e o fator expresso era dominante e que esses fatores se separam durante a reprodução das plantas híbridas explicando o aparecimento da planta anã de uma geração para outra O pesquisador realizou uma série de experimentos para analisar e tentar entender cada uma das seis características das ervilhas Esses experimentos foram chamados de cruzamento monohíbrido pois apenas uma característica estava sendo analisada por vez A partir dos resultados gerados esses fatores hereditários transmitidos a cada geração foram chamados de genes e a forma dominante e recessiva foi chamada de alelos Outra observação feita por meio dos experimentos de Mendel é que os genes são encontrados em pares Ele propôs que são encontradas duas cópias idênticas de cada gene nas linhagens parentais ou seja são diploides e homozigotas Porém no processo de produção dos gametas essas duas cópias passam a ser apenas uma ou seja os gametas são haploides Durante o processo de fecundação os gametas se fundem formando o zigoto que volta a ser diploide o que explica o zigoto híbrido que herdaria dois alelos diferentes durante o cruzamento um do pai e outro da mãe e essa prole é chamada de heterozigota Essas observações fizeram com que Mendel percebesse que a presença de alelos diferentes coexiste mesmo que um seja recessivo e outro dominante e que esses alelos possuem as mesmas chances de entrar em um gameta heterozigoto durante a reprodução Além disso também constatou que uma população mista de gametas submetidas a cruzamentos aleatórios produziria alguns zigotos com características recessivas explicando o reaparecimento de características que tinham desaparecido nas gerações das plantas híbridas Como funciona a distribuição independente São os cruzamentos Dihíbridos Mendel seguiu com seus experimentos com ervilhas só que dessa vez utilizou plantas que apresentavam duas características diferentes Acompanhe os passos mais uma vez Mendel realizou o cruzamento de plantas que apresentavam características de semente como cor e textura com o objetivo de verificar se a herança dessas características era independente Para isso ele cruzou plantas que produziam sementes verdes e rugosas com plantas que apresentavam sementes amarelas e lisas A prole desse cruzamento apresentou todas as sementes amarelas e lisas demonstrando que os alelos dessas características eram dominantes Em seguida ele cultivou plantas originadas a partir dessas sementes e realizou a autofecundação A partir da autofecundação ele observou os resultados e percebeu quatro combinações de características de cor e textura duas classes semelhante à linhagem parental e duas novas combinações Assim demonstrou que cada característica era controlada por um determinado gene com dois alelos e que cada um desses dois genes um para cada característica possui herança independente Esse experimento foi chamado de cruzamento dihíbrido pois foram analisadas duas características simultaneamente em um mesmo experimento Para saber mais sobre os experimentos de Mendel acesse Minha Biblioteca e leia o Capítulo 3 Mendelismo Princípios Básicos da Herança do livro SNUSTAD D P SIMMONS M J Fundamentos de Genética 7 ed Rio de Janeiro Grupo GEN 2017 ISBN 9788527731010 Mendelismo Tema 2 Predição de resultados de cruzamentos Como podemos prever o resultado de cruzamento entre diferentes linhagens de organismos Os princípios de Mendel podem ser utilizados para prever resultados de cruzamentos mas para isso precisamos conhecer a base genética que está por trás da característica analisada Existem três métodos gerais sendo dois deles com base na enumeração sistemática de todos os fenótipos ou genótipos zigóticos e um que é baseado em conhecimento matemático Vamos entender como cada um desses métodos funciona Método do quadrado de Punnett O método do quadrado de Punnett é um método direto de previsão de resultados de cruzamento Ele é aplicado em casos em que há participação de um ou dois genes Dessa forma é possível fazer a anotação de todos os gametas e realizar a combinação sistemática para gerar os arranjos de genótipos zigóticos Após essa combinação podemos determinar os fenótipos utilizando o Princípio da Dominância Um exemplo de utilização desse método de predição é a análise do resultado do experimento de Mendel em que ele realizou o cruzamento de híbridos da F1 de sementes amarelas e lisas Esse tipo de cruzamento geralmente é chamado de intercruzamento Porém o método do quadrado de Punnett dificilmente é aplicado em casos mais complicados como os que contêm a participação de mais de dois genes Método da linha bifurcada Para a predição de resultado de cruzamentos que contém dois ou mais genes podemos utilizar o método da linha bifurcada Diferente do método de quadrado de Punnett em que a prole é enumerada em um quadrado através de combinações sistemáticas dos gametas na linha bifurcada a predição é feita a partir de um diagrama de linhas ramificadas Considere um intercruzamento de ervilhas que são heterozigotas para três genes que possuem distribuição independente sendo que um controla a altura da planta outro a cor da semente e o terceiro sua textura Ou seja um cruzamento trihíbrido Dd Gg Ww Dd Gg Ww Esse cruzamento pode ser dividido em três cruzamentos monohíbridos Dd Dd Gg Gg e Ww Ww pois os genes possuem distribuição independente Para cada um desses genes a proporção esperada é 31 por exemplo Dd x Dd produzirá a proporção de 3 plantas altas 1 planta anã A partir do método da linha bifurcada é possível combinar essas razões separadas em uma razão fenotípica geral que será apresentada para a prole desse cruzamento A título de exemplo vamos considerar um intercruzamento de ervilhas heterozigotas para três genes de distribuição independente um que controla a altura da planta outro que controla a cor da semente e um terceiro que controla sua textura Esse é um cruzamento trihíbrido Dd Gg Ww Dd Gg Ww que pode ser dividido em três cruzamentos monohíbridos Dd Dd Gg Gg e Ww Ww porque todos os genes têm distribuição independente Para cada gene esperamos que os fenótipos apareçam na proporção de 31 Assim Dd Dd produzirá uma proporção de 3 plantas altas1 planta anã Usando o método da linha bifurcada conseguimos combinar essas razões separadas em uma razão fenotípica geral para a prole do cruzamento Método da probabilidade É uma técnica alternativa e mais rápida do que os métodos do quadrado de Punnett e da linha bifurcada Esse método é baseado no princípio da probabilidade Vamos pensar na segregação proposta por Mendel quando um heterozigoto produz gametas metade deles contêm um alelo e metade o outro Ou seja a probabilidade de que determinado gameta contenha um alelo dominante é de ½ e a probabilidade de que contenha o alelo recessivo é a mesma Essa probabilidade representa a frequência dos dois tipos de gametas produzidos em um indivíduo heterozigoto Teste das hipóteses genéticas Qui quadrado Toda pesquisa é iniciada por meio da observação de algum fenômeno A partir dessas observações surgem questionamentos e ideias sobre esse fenômeno que são explorados através da realização de experimentos ou por meio de observações mais aprofundadas Quando uma ideia científica é bem formulada chamamola de hipótese A partir da obtenção de dados e experimentos os cientistas testam suas hipóteses para verificar se ela deve ser aceita ou rejeitada Uma forma de avaliar essas hipóteses é o teste estatístico chamado qui quadrado x² Esse teste permite que o pesquisador compare os dados como o número obtido em um experimento de reprodução aos valores previstos Observe Se o x² for maior do que um número crítico o experimento deve ser reavaliado ou seja procurar algum erro durante a execução do experimento e rejeitar a hipótese Em casos que o x² apresentar valor abaixo desse número os resultados do experimento são compatíveis com a hipótese Para saber mais sobre predição de resultados de cruzamento e aplicações dos princípios de Mendel acesse Minha Biblioteca e leia o Capítulo 3 Mendelismo Princípios Básicos da Herança do livro SNUSTAD D P SIMMONS M J Fundamentos de Genética 7 ed Rio de Janeiro Grupo GEN 2017 ISBN 9788527731010 Mendelismo Tema 3 Além de Mendel Dominância incompleta Codominância Alelos múltiplos De que forma os genes podem influenciar na manifestação de uma determinada características As descobertas de Mendel demonstraram que os genes podem ser encontrados em formas alternativas A partir dos estudos das sete características das ervilhas foram identificados dois alelos um recessivo e um dominante Esses achados sugerem que um alelo se encontra na forma inativa e o outro seria responsável por conferir uma determinada característica A partir daqui vamos chamar essa característica de fenótipo Porém outros estudos realizados no início do século XX mostrou que essa afirmação era muito simplificada pois na realidade os genes podem estar presentes em mais de dois estados alélicos e cada alelo pode exercer um efeito diferente no fenótipo de um organismo Codominância e dominância incompleta Um alelo é considerado dominante quando exerce um mesmo efeito fenotípico em homozigotos e heterozigotos ou seja genótipos AA e Aa vão produzir o mesmo fenótipo Porém algumas vezes um heterozigoto pode apresentar um fenótipo diferente de dois homozigotos que fazem associação a ele Um exemplo é a cor da flor boca de leão Antirrhinum majus As flores vermelhas e brancas são homozigotas para alelos diferenciados de um gene determinante de cor Porém quando é realizado o cruzamento entre essas cores a prole produzida apresenta heterozigotos com flores cor de rosa Podemos dizer que o alelo que confere a cor vermelha W apresenta dominância parcial ou incompleta quando comparado ao alelo que confere cor branca w No entanto existe uma grande probabilidade de que nessa espécie a intensidade da pigmentação esteja relacionada com a quantidade de um produto que seja especificado pelo gene que confere cor Vamos pensar se o alelo w não especifica o produto mas se o alelo W específica homozigotos WW possuem o produto duas vezes quando comparados a heterozigotos Ww e por isso apresentam cor mais intensa Quando o fenótipo apresentado por um heterozigoto for intermediário entre os fenótipos de dois homozigotos como nesse exemplo dizse que o alelo parcialmente dominante é semidominante Exemplo de dominância Incompleta Clique na imagem para ampliar Alelos Múltiplos O conceito de que existem apenas dois estados alélicos dos genes precisou ser modificado quando foi descoberto que existem genes com três quatro e até mais formas alélicas Um dos exemplos de genes com múltiplos alelos é o que faz parte do controle da cor de pelagem dos coelhos É possível observar quatro diferentes cores de pelo o selvagem pelagem marrom ou cinza escuro chinchila pelagem cinza prateado himalaia pelagem branca com algumas regiões escuras como pata e focinho e albino pelagem completamente branca A diferença na cor de pelagem é determinada por quatro diferentes alelos C c ch c h e c a que apresentam a seguinte relação de dominância selvagem C possui dominância sobre himalaia chinchila e albino chinchila c ch exerce dominância sobre himalaia e albino himalaia c h exerce dominância sobre albino já o albino c a é recessivo ou seja só é expresso em pares Desta forma os genótipos para os diferentes tipos de pelagem de coelhos são CC Cc ch Cc h Cc a Selvagem c ch c ch c ch c h c ch c a Chinchila c h c h chca Himalaia c a c a Albino Sendo que Em populações selvagens uma grande parte dos coelhos é homozigoto para o alelo C que é chamado de selvagem Os demais alelos do gene c são formas alteradas do alelo selvagem ou seja são alelos mutantes que surgiram em algum período da evolução do coelho Expressividade e penetrância Você sabia que apesar de um indivíduo apresentar um determinado genótipo ele pode não manifestar essa característica Esse fenômeno é chamado de penetrância incompleta Um dos exemplos é a polidactilia que é a presença de dedos extras nas mãos e nos pés em humanos Isso acontece quando ocorre uma mutação dominante que acaba se manifestando em alguns indivíduos portadores Já o termo expressividade é utilizado quando uma determinada característica não é manifestada de forma uniforme em indivíduos que a apresentam Um exemplo é uma mutação que acontece em drosófilas chamada Lobe que está associada aos olhos Exemplo de polidactilia As moscas que apresentam essa mutação manifestam fenótipos de olhos variados Algumas moscas têm olhos pequenos outras olhos grandes Além disso existe uma série de outros fenótipos de olhos que podem ser manifestados Ou seja essa mutação confere uma expressividade variável A expressividade variável e a penetrância incompleta mostram que as vias que existem entre um determinado genótipo e seu fenótipo estão sujeitas a mecanismos de modulação Essa modulação que influencia na expressão dessas características está relacionada tanto a fatores ambientais como também ao genótipo e isso só pode ser comprovado a partir de experimentos de reprodução que mostram que uma característica pode ser afetada por dois ou mais genes Vamos entender como isso funciona Interações gênicas Os primeiros estudos que indicaram que mais de um gene pode influenciar em uma característica foi feito a partir da reprodução de galinhas As raças de galinhas domésticas apresentam cristas de diferentes formatos O experimento foi realizado utilizandose três raças com os seguintes formatos de crista crista rosa crista ervilha e crista simples Quando foi feito o cruzamento de crista rosa com a crista ervilha eles observaram o aparecimento de outro fenótipo que é o de crista Noz Assim eles descobriram que o fenótipo das cristas é determinado por dois genes que possuem uma distribuição independente e cada um deles possui dois alelos Esse trabalho mostrou a distribuição independente de dois genes que podem afetar uma característica e que associações dos alelos desses dois genes causam essas diferenças devido a prováveis interações celulares ou bioquímicas que alteram a manifestação do fenótipo Epistasia Chamamos de epistasia quando mais de um gene causa influência na manifestação de uma característica pois um desses alelos pode predominar no fenótipo Alelos que possuem esse efeito predominante são chamados de epistáticos em relação a outros genes que participam da manifestação dessa característica Em drosophila diversos genes são responsáveis pela pigmentação da cor dos olhos A via que sintetiza o pigmento pode ser bloqueada se a mosca for homozigota para um alelo nulo desses genes gerando uma cor anormal nos olhos Isso mostra que a presença desse alelo é suficiente para anular a ação dos demais genes mascarando a contribuição para a manifestação da cor Pleiotropia Agora que sabemos que muitos genes podem afetar um fenótipo será que um gene é capaz de influenciar vários fenótipos A resposta é sim Pessoas com fenilcetonúria geralmente possuem cabelos loiros ou castanhoclaros Esses efeitos fenotípicos são causados por interconexões entre vias celulares e bioquímicas que esses genes controlam O gene que influencia diversos aspectos do genótipo é chamado de pleiotrópico Um exemplo é o gene da fenilcetonúria em humanos Além de causar acúmulo de substância que causam efeito tóxico gerando comprometimento mental esse tipo de mutação também pode interferir na síntese da melanina Mendelismo Encerramento Como uma determinada característica é passada de geração a geração As características são passadas de pais para filhos a partir de um fenômeno chamado hereditariedade Essa descoberta só foi possível graças aos experimentos de Mendel que observou que as características eram passadas por meio dos genes que fazem com que determinadas características sejam transmitidas a cada geração Como podemos prever o resultado de cruzamento entre diferentes linhagens de organismos A predição do resultado de cruzamentos pode ser feita a partir de três métodos principais sendo que a primeira metodologia chamada de quadrado de Punnett é utilizada em casos em que até dois genes fazem parte do cruzamento Nos casos em que dois ou mais genes estão envolvidos os métodos indicados são o da linha bifurcada e o da probabilidade Outro teste que pode ser utilizado porém para testar hipóteses de experimentos realizados é o teste do qui quadrado De que forma os genes podem influenciar a manifestação de uma determinada característica Por meio dos estudos de Mendel foi possível identificar genes que influenciam características a partir de alelos que podem ser dominantes e recessivos No entanto pesquisadores descobriram que os genes podem estar presentes em mais de dois estados alélicos e cada alelo pode exercer um efeito diferente no fenótipo de um organismo Esses efeitos fenotípicos podem ser influenciados por alelos que apresentam dominância incompleta codominância e também a partir da interação de genes diferentes que influenciam a manifestação de uma determinada característica assim como um determinado gene pode influenciar a manifestação de mais de uma característica Resumo da Unidade Nesta unidade aprendemos que Mendel estudando as sete características das ervilhas observou que cada uma das características é controlada por um gene A partir dessas pesquisas Mendel formulou três princípios da herança O primeiro é que os alelos dos genes podem ser dominantes ou recessivos Durante a formação dos gametas os alelos diferentes de um gene segregamse Alelos de diferentes genes são segregados de forma independente Os resultados dos cruzamentos podem ser previstos sendo que o quadrado de Punnett é utilizado para prever o resultado de cruzamentos em que até há participação de até dois genes Já quando há participação de dois ou mais genes os métodos mais utilizados são o da linha bifurcada ou o da probabilidade Outro tipo de teste muito utilizado em genética é o qui quadrado esse teste é utilizado para prever se uma hipótese é concordante com os dados de um experimento realizado A partir das descobertas de Mendel outros experimentos foram realizados e observouse que os genes possuem múltiplos alelos que podem ser dominantes recessivos dominantes incompletos ou codominantes Referências da Unidade ALBERTS B Biologia Molecular da Célula Porto Alegre Grupo A 2017 ISBN 9788582714232 Minha Biblioteca GRIFFITHS A J F WESSLER S R CARROLL S B et al Introdução à Genética Rio de Janeiro Grupo GEN 2016 ISBN 9788527729963 Minha Biblioteca SNUSTAD D P SIMMONS Michael J Fundamentos de Genética 7 ed Porto Alegre Grupo GEN 2017 ISBN 9788527731010 Minha Biblioteca Para aprofundar e aprimorar os seus conhecimentos sobre os assuntos abordados nessa unidade não deixe de consultar as referências bibliográficas básicas e complementares disponíveis no plano de ensino publicado na página inicial da disciplina